CN105181111A - 一种超弱光纤光栅阵列同φ-otdr相结合的光纤振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统。系统将超弱光纤光栅阵列以相同的间距接入传感光纤中，且该间距的选取要同本Φ-OTDR光纤传感系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，利用超弱光纤光栅的反射特性，提高检测到的后向瑞利散射光的光功率，用以提升Φ-OTDR光纤振动传感系统的信噪比和灵敏度。

Description

一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统

技术领域

本发明涉及基于Φ-OTDR的光纤振动传感系统技术领域，主要是对传感光纤结构的改进，具体涉及一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统。

背景技术

在Φ-OTDR光纤振动传感系统中，窄线宽激光器发出的连续光波经由脉冲调制和光放大后，通过环形器注入传感光纤。Φ-OTDR中注入光纤的光是强相干的，因此该系统的输出就是脉冲宽度范围内后向散射瑞利光相干涉的结果。假定传感光纤处于理想状态中，则经由传感光纤返回的后向瑞利散射波形应是恒定不变的，如果在传感光纤中的某一点加入微扰，那么传感光纤在该点的折射率就会发生改变，这将导致该位置处光相位发生改变，由于干涉作用，其相应的后向瑞利散射光光强会发生改变。通过探测器探测后向瑞利散射光，并将不同时刻的后向瑞利散射光曲线相减来检测这种效应，相减的曲线上光强发生变化的时间位置同微扰点的位置相对应，从而也就找到微扰点的位置。由于采用的是窄线宽激光器，因而引入探测光纤的系列光脉冲是相干的光脉冲，探测光纤范围的弱折射率变化都可以由脉冲之间的相干效应得到加强。目前，Φ-OTDR的主要性能参数包括动态范围、空间分辨率、误报率和灵敏度等。动态范围是Φ-OTDR系统中一个非常重要的指标，表征了传感光纤能够铺设的最远距离，即系统的最大测量距离。误报率是系统的又一重要性能指标。几乎在所有的振动传感系统中，如何快速而准确地定位出振动信号的位置所在，确定振动的类型，一直是研究的重点，而动态范围和误报率都很大程度上取决于信噪比的高低。灵敏度是指在保证误码率为一定值的情况下，能检测到信号的最低接收平均光功率。在光纤振动传感系统中，灵敏度就是对微弱振动信号的响应能力。普通Φ-OTDR系统中，探测范围和灵敏度都相对较低，这也是亟需解决的关键问题。

光纤光栅是一种无源器件，实质上是一种窄带的滤波器或反射镜。当一束宽谱光经过光纤光栅时，满足其光纤光栅布拉格条件的波长的光将发生反射，其余波长的光将透过光纤光栅继续传输。光纤光栅的主要应用是通过对光纤光栅中心波长的漂移量的检测，来测定外界参量如应力、温度等的变化，且不会受到光源功率稳定性的影响。超弱光纤光栅则是指中心波长反射率超低的光纤光栅，其反射率最低可达到10^-6量级。

Φ-OTDR光纤振动传感系统主要应用于现今社会不同场合和不同环境的安防监测，且特别适合于大范围监测。基于其抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、使用周期长以及分布式监测等诸多优点，已成为用于监测和保护国境、军事基地、发电厂、核设施及监狱等的分布式光纤传感防入侵系统中的研究热点。因此，推进基于Φ-OTDR技术的分布式光纤振动传感系统的研究具有非常重要的经济价值和社会价值。

发明内容

本发明将超弱光纤光栅阵列同相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)光纤振动传感系统相结合，通过对传感光纤结构的改进，在保证Φ-OTDR光纤振动传感系统原有性能指标不变的同时，能够大大提高其对振动检测的信噪比和灵敏度。

本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：

一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，包括窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经分光比为1:99的光纤耦合器分为两路，其中99％的那路作为系统的本地光，经脉冲调制器调制为脉冲光，再经EDFA进行光放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生后向瑞利散射光信号；而1％的那路作为系统的参考光，经过声光移频器引入频移后，同返回接收端的后向瑞利散射光经过一个1:1的光纤耦合器拍频，得到拍频信号，该信号被光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和处理系统中，其特点在于，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入超弱光纤光栅阵列或者传感光纤全部为超弱光纤光栅阵列。

上述技术方案中，各个超弱光纤光栅在传感光纤中要以等间距排布。

上述技术方案中，超弱光纤光栅阵列的超弱光纤光栅反射率、中心波长和带宽等参数均相同。

上述技术方案中，超弱光纤光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

上述技术方案中，传感光纤采用超弱光纤光栅阵列。

本发明中使用的超弱光纤光栅，亦是利用了其对中心波长光的反射特性，用以增强后向瑞利散射信号，提高系统信噪比和灵敏度。超弱光纤光栅同Φ-OTDR光纤振动传感系统相结合，超弱光纤光栅陈列沿光纤传感线路以同等间距依次排布。当系统的空间分辨率等于超弱光纤光栅间距的整数倍或相同时，所检测到的信号将是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加，其相应位置的信号幅度较普通Φ-OTDR光纤振动传感系统的大很多。因此，本系统中的信噪比、灵敏度由于增强探测到的信号幅度而得到提升，更能适应对大范围、长距离监测的应用需求。

因为本发明采用以上技术方案，所以具备以下有益效果：

在不影响Φ-OTDR光纤振动传感系统原有性能指标的情况下，能大大提高系统对振动检测的信噪比和灵敏度，由于信噪比得到了提升，从而也就提高了Φ-OTDR系统的动态范围。特别是在对某些关键部位的振动检测中，通过对该关键段传感光纤的改良，以其经过提高的信噪比能得到更好的检测结果，且不影响其分布式传感功能。同时，由于其能将整段光纤的有用信号大幅度提升，而噪声信号并未提升，所以其也能减少Φ-OTDR系统整体的误报率及漏报率。通常实现长距离光纤传感，需要足够输出光功率足够大地EDFA，加大成本，若加入光纤光栅能够提升信号强度，便可以解决这一问题，节约系统成本。总的来说，通过与超弱光纤光栅结合，Φ-OTDR系统性能能得到一个较全方位的优化。

附图说明

图1是一种典型的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统结构图。

Φ-OTDR光纤振动传感系统采用窄线宽激光器作为光源，其注入光纤的光是强相干的，因此该系统的输出就是脉冲宽度范围内后向瑞利散射光相干涉的结果。当光纤线路上受到外界干扰时，对应位置处光纤折射率将会发生变化，这将导致该位置光相位的变化，光相位的变化又会引起后向瑞利散射光干涉信号强度变化。因此，通过对比其后向瑞利散射光干涉信号强度变化可以判断出外界干扰的具体位置。超弱光纤光栅阵列的引入能提高系统的信噪比和灵敏度。

图2是一种普通的Φ-OTDR的光纤振动传感系统结构图。其他部分和图1完全一致，仅仅在光纤末端未装超弱光纤光栅。

图3是接入超弱光纤光栅阵列后的传感光纤结构图。超弱光纤光栅阵列在传感光纤中以等间距排布，且间距的选取要同该光纤传感系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍。

具体实施方式

本发明提出了一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，该系统同一般Φ-OTDR光纤振动传感系统相比，在不影响其原有性能指标的基础上，能大大提高系统对振动检测的信噪比和灵敏度，本发明采用如下技术方案：

如图1本系统包括窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经分光比为1:99的光纤耦合器分为两路。其中99％的那路作为系统的本地光，经脉冲调制器调制为脉冲光，再经EDFA进行光放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生后向瑞利散射光信号；而1％的那路作为系统的参考光，经过声光移频器引入频移后，同返回接收端的后向瑞利散射光经过一个1:1的光纤耦合器拍频，得到拍频信号，该信号被光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和处理系统中。

(一)、本发明中所采用的光纤光栅是全同的超弱光纤光栅，具有相同的中心波长和反射率，对中心波长的光表现出弱反射特性。

(二)、本发明中超弱光纤光栅阵列在传感光纤中要以等间距排布，保证反射的光功率对后向瑞利散射信号的功率加强在整个传感光纤范围中保持均匀。

(三)、本发明中超弱光纤光栅之间间距的选取要同该光纤传感系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍。当选取的超弱光纤光栅之间间距同该光纤传感系统的空间分辨率相同时，其探测到的后向瑞利散射信号幅值将刚好在整个光纤传感范围内得到提升；当选取的超弱光纤光栅的间距为空间分辨率的1/n倍时(n＝1,2,3…)，亦能使后向瑞利散射信号幅值在整个光纤传感范围内得到提升，且提升幅度更大，但所需的超弱光纤光栅数量亦增加了n倍。

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述，具体步骤如下：

步骤一：

首先考虑超弱光纤光栅反射信号对后向瑞利散射信号的影响，由于最后探测到的信号是一个超低折射率光纤光栅反射信号和一个后向瑞利散射信号的叠加，其信噪比的提高可由以下公式表示：

${\mathrm{SNR}}_{improvement}=\frac{S_C/N}{S_T/N}=\frac{S_C}{S_T}=\frac{S_{FBG}+S_T}{S_T}=\frac{S_{FBG}}{S_T}+1---\left(1\right)$

其中S_C为结合系统的信号强度，S_T为一般Φ-OTDR光纤振动传感系统探测到的信号强度，S_FBG为由超弱FBG反射的信号强度，N为噪声信号。

步骤二：

光纤光栅阵列之间会有多次反射，后向瑞利散射信号亦是微弱信号，然而由于采用的超弱光纤光栅的反射率很低，超弱光纤光栅之间的反射光功率就更低了，远小于后向瑞利散射信号光功率，故在本系统中不用考虑光纤光栅阵列之间的反射。

步骤三：

超弱光纤光栅阵列间距的选取，同本Φ-OTDR光纤振动传感系统的空间分辨率息息相关，超弱光纤光栅的间距要同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍。这里空间分辨率P可由以下公式表示：

P＝c·ΔT/2n_g(2)

其中，c为光速，ΔT为脉冲光宽度，n_g为传感光纤的群折射率。

当超弱光纤光栅间距同本系统的空间分辨率P相同时，超弱光纤光栅阵列反射的光功率将恰好覆盖整个光纤传感范围。同时需要注意，当系统的调制脉冲宽度发生改变时，相应的系统空间分辨率亦会发生改变，故对已经接入超弱光纤光栅阵列的传感光纤，只能应用在固定空间分辨率的Φ-OTDR光纤振动传感系统中。

步骤四：

当超弱光纤光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同时，在传感光纤中返回的信号是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加，其信噪比因超弱光纤光栅阵列而得到提升。当超弱光纤光栅反射率越高时，信噪比提升效果越明显。可是，随着超弱光纤光栅反射率的提高，透射光的光功率降低，会减小传感光纤的传感距离。过高的光功率会超过光探测器的最大额定输入，造成探测器损坏。一般认为当传感光纤尾端的超弱光纤光栅反射的光功率低于该处后向瑞利散射光功率时，或者说光栅反射光被瑞利散射光淹没，反射光功率对系统信噪比提升无效果。因此，应合理选择超弱光纤光栅的反射率以使其与Φ-OTDR光纤振动传感系统的传感距离达到平衡。

实施例1、

一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入超弱光纤光栅阵列。超弱光纤光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

实施例2、

一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入超弱光纤光栅阵列。各个超弱光纤光栅在传感光纤中要以等间距排布。超弱光纤光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

实施例3、

一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，传感光纤采用超弱光纤光栅阵列。超弱光纤光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

实施例4、

一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，传感光纤采用超弱光纤光栅阵列。各个超弱光纤光栅在传感光纤中要以等间距排布。超弱光纤光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

上面已对本发明所设计的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统进行了详细的说明，并给出该超弱光纤光栅阵列用于传感光纤结构改进的具体参数，但在实际应用中，应综合考虑光纤损耗、入纤光功率、脉冲宽度、瑞利散射、超弱光纤光栅反射率、超弱光纤光栅数量、光电探测器的探测极限以及最大传感范围等因素，合理选择，以达到最优化的Φ-OTDR光纤振动传感系统结果。

Claims (10)

1.一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入超弱光纤光栅阵列。

2.根据权利要求1所述的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：还包括窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经分光比为1:99的光纤耦合器分为两路，其中99%的那路作为系统的本地光，经脉冲调制器调制为脉冲光，再经EDFA进行光放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生后向瑞利散射光信号；而1%的那路作为系统的参考光，经过声光移频器引入频移后，同返回接收端的后向瑞利散射光经过一个1:1的光纤耦合器拍频，得到拍频信号，该信号被光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和处理系统中。

3.根据权利要求1所述的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：各个超弱光纤光栅在传感光纤中要以等间距排布。

4.根据权利要求1所述的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：超弱光纤光栅阵列的超弱光纤光栅反射率、中心波长和带宽参数均相同。

5.根据权利要求1-4任一所述的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：超弱光纤光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

6.一种超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：传感光纤采用超弱光纤光栅阵列。

7.根据权利要求6所述的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：还包括窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经分光比为1:99的光纤耦合器分为两路，其中99%的那路作为系统的本地光，经脉冲调制器调制为脉冲光，再经EDFA进行光放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生后向瑞利散射光信号；而1%的那路作为系统的参考光，经过声光移频器引入频移后，同返回接收端的后向瑞利散射光经过一个1:1的光纤耦合器拍频，得到拍频信号，该信号被光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和处理系统中。

8.根据权利要求1所述的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：各个超弱光纤光栅在传感光纤中要以等间距排布。

9.根据权利要求1所述的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：超弱光纤光栅阵列的超弱反射光纤光栅反射率、中心波长和带宽等参数均相同。

10.根据权利要求6-8任一所述的超弱光纤光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：超弱光纤光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是超弱光纤光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。